Įvadas
Šiame straipsnyje nagrinėjama masės priklausomybė nuo greičio, apimant reliatyvumo teorijos aspektus, raketų judėjimo principus ir eterio teorijos šalininkų argumentus. Siekiama pateikti išsamų ir suprantamą paaiškinimą, tinkamą tiek mokiniams, tiek profesionalams.
Reliatyvistinė masė ir E=mc²
Vienas iš populiariausių, bet dažnai klaidingai suprantamų teiginių yra tas, kad objektui artėjant prie šviesos greičio, jo masė didėja iki begalybės. Nors tai nėra visiškai klaidinga, tačiau toks mąstymas yra nepilnas tikrovės atspindys.
Kažkas Žemėje gali pastebėti jūsų žvaigždėlaivio masės padidėjimą, kuomet imate skrieti greičiu, artimu šviesai. Tačiau būdamas šio įrenginio viduje, jūs nepastebėsite jokio nei žvaigždėlaivio, nei savo paties masės pokyčio. Pokytis, kurį pastebės Žemėje esantis stebėtojas, tiesiog atitinka reliatyvistinę masę. Jeigu staiga įjungtumėte stabdymo mechanizmą ir sugrįžtumėte į įprasto greičio ribas, visa reliatyvistinė masė pradingtų, tad Žemės stebėtojas vėl matytų jus tokios pačios masės, kurią turėjote dar būdamas Žemėje.
Žemės stebėtojui visą šią situaciją būtų įvertinti kur kas korektiškiau atsižvelgiant į judesio kiekį, kuris lygus greičio ir masės sandaugai. Taigi, kuomet jūsų žvaigždėlaivis imtų generuoti didesnį energijos kiekį, stebėtojas Žemėje iš tiesų pamatytų jūsų judesio kiekio padidėjimą. Tačiau tai interpretuotų kaip masės padidėjimą, nes pasiekus greičio vertes, siekiančias 99 procentus šviesos greičio, nepanašu, kad greitis labai smarkiai išaugtų. Nors jums ėmus stabdyti atrodo, kad netenkama masės, iš tiesų atiduodama yra energija - galbūt kinetinę judėjimo energiją paverčiant šiluma.
Žvelgiant iš Žemės stebėtojo perspektyvos, galima teigti, jog reliatyvistinė masė, kuris stebima skriejant greičiu, artimu šviesai, lygi žvaigždėlaivio rimties masės/energijos ir kinetinės judėjimo energijos sumai, padalintai iš c². Iš čia galima išvesti, jog E=mc².
Taip pat skaitykite: KMI ir nutukimas
Reliatyvistinė masė su judėjimo greičiu yra susieta atvirkštine priklausomybe. Taigi, artėjant prie šviesos greičio, reliatyvistinis laikas ima artėti prie nulio (laikrodžiai lėtėja), reliatyvistinės ilgis taipogi mąžta, o reliatyvistinė masė auga į begalybės atžymą. Tačiau kaip mes jau pažymėjome, žvaigždėlaivio viduje masės padidėjimas nebus jaučiamas (kaip ir žvaigždėlaivio matmenų sumažėjimas ar laiko sulėtėjimas).
Kuomet jūs artėjate prie šviesos greičio ir vis didinate žvaigždėlaivio apsukas, jūs pastebite, kad prie savo tikslo artėjate sparčiau - bet ne dėl to, kad judėjimas tapo greitesnis, o todėl, jog laikas, kurį užtruksite nuo taško A judėdamas iki taško B, sutrumpėja, lygiai taip pat kaip ir pats atstumas nuo taško A iki taško B. Kitaip tariant, šviesos greičio neįmanoma pasiekti, nes atstumo ir laiko parametrai kinta taip, kad užtikrintų šį nepasiekiamumą.
Šis sąryšis nėra taip lengvai išgaunamas nagrinėjant, pavyzdžiui, branduolinius sprogimus, kadangi tokio sprogimo metu didžioji energijos dalis išsiskiria ryšio energijos, leidžiančios egzistuoti sunkiesiems atomams, pavidalu. Panašiai galima įsivaizduoti, kad jūsų puodelis kavos yra masyvesnis, kuomet jis karštas - ir praranda masę vėsimo proceso metu. Materija, turint galvoje protonus, neutronus, elektronus… ir kavą, tokio proceso metu išlieka tvari. Tačiau šiluminė energija iš tiesų padidina sistemos masę, nors ši vertė siekia viso labo tik m=E/c².
Raketos judėjimas ir masės kitimas
Raketos judėjimas yra puikus pavyzdys, iliustruojantis masės priklausomybę nuo greičio. Skirtingai, nei orlaiviuose, raketose saugomos ne tik degalų, bet ir oksidatoriaus, skirto jiems sudeginti ir gauti reikiamą energiją, atsargos. Pagrindinis raketos įrenginys yra raketinis variklis ar variklių junginys, kuris kuria varos jėgą, dėl kurios raketą galima greitini ir vairuoti.
Bet kokios raketos judėjimo išskirtinė ypatybė yra judėjimas mažėjant jos masei dėl išmetamos darbinės medžiagos. Nuo darbinės medžiagos išmetimo (ištekėjimo) greičio ir kiekio priklauso galutinis raketos greitis. Vyraujanti jėga lemianti raketos masės centro judėjimą aktyvios skrydžio dalies metu yra jos variklių kuriama varos jėga. Remiantis jėgos impulso teorema, raketinio variklio kuriama varos jėga yra proporcinga išmetamos medžiagos masės debitui ir išmetimo (ištekėjimo) greičiui: bb P = dot m bb v_i.
Taip pat skaitykite: Tyrimas apie vandens paviršiaus įtempimą
Ciolkovskio lygtis apibūdina didžiausią galimą raketos galutinį greitį aktyvios skrydžio dalies pabaigoje, kuomet jo neveikia aerodinaminės ir gravitacijos jėgos. Tikrovėje raketų skrydžio metu yra neišvengiami greičio nuostoliai, atsirandantys dėl Žemės traukos, oro pasipriešinimo, variklių veikimo neskaičiuotiniu režimu (dėl pakitusio aplinkos slėgio) ir kitų veiksnių. Dėl to tikrasis raketos galutinis greitis visuomet bus mažesnis už būdingąjį greitį.
Daugiapakopės raketos
Veiksmingas būdas išvengti sandaros apribojimų yra sudėtinių (daugiapakopių) raketų naudojimas. Tokios raketos būna sudarytos iš 2 ir daugiau sujungtų pakopų. Nuosekliojo jungimo atveju, pakopai 1 išeikvojus savo atsargas, ji yra atskiriama nuo likusios raketos ir numetama. Tik po ankstesnės pakopos atjungimo įjungiami sekančios pakopos varikliai. Lygiagrečiojo pakopų jungimo atveju, dviejų ar daugiau pakopų leidimo varikliai 1 vienu metu veikia kartu su antrosios pakopos 2 skriejimo varikliais.
Jei žinoma naudingojo krovinio masė ir galutinis greitis, tai daugėjant pakopų skaičiui mažėja pradinė (leidimo) raketos masė. Bet daugėjant pakopų skaičiui raketos sandara tampa sudėtingesnė, raketa tampa mažiau patikima.
Aktyvi skrydžio dalis
Aktyviąja skrydžio dalimi vadinamas laikotarpis, kuomet veikia raketos varikliai. Šios skrydžio dalies metu vyksta raketos kėlimas ir greitinimas. Tuo metu raketos trajektorija nėra balistinė. Kylant raketai, gravitaciniai greičio nuostoliai atsiranda dėl energijos sąnaudų, reikalingų pakelti ją gravitaciniame lauke. Lygtis rodo, kad gravitaciniai greičio nuostoliai gali būti sumažinti trumpinant aktyvaus skrydžio trukmę, arba kaip įmanoma greičiau pasukant raketą į gulsčią padėtį (vietinio horizonto atžvilgiu). Raketai judant per tankiuosius atmosferos sluoksnius, oro pasipriešinimas stabdo jos judėjimą.
Kuro savybės ir raketos greitis
Daugelis raketinio kuro savybių (cheminė sudėtis, energetinės, termodinaminės, fizikinės savybės) lemia įrenginio sandarą, o taip pat ir balistines savybes. Siekiant nustatyti sąryšį tarp įrenginio judėjimą apibūdinančių dydžių ir kuro savybių, pirmiausia nustatomi sąryšiai tarp balistinių parametrų ir įrenginio masės dydžių (bei juos lemiančių atitinkančių kuro savybių).
Taip pat skaitykite: Grafikas: virimo temperatūra vs. molekulinė masė
Raketos galutinio greičio priklausomybei nuo kuro savybių gauti parenkamos tik tos kuro savybės, kurių įtaka v_g didžiausia: išmetamos masės greitis v_i ir kuro tankis rho_k. Galutinis raketos greitis pagal Ciolkovskio lygtį tiesiškai priklauso nuo išmetamos darbinės medžiagos greičio v_i.
Įrodoma, kad nepriklausomai nuo to, ar nagrinėjant kuro tankio įtaką galutiniam raketos greičiui, nekintamu dydžiu parenkamas kuro talpų tūris V_k, ar kuro masė m_k, didėjant kuro tankiui rho_k, didėja ir raketos masės skaičius mu_k.
Raketų leidimo ir pirmosioms pakopoms, kurioms būdingas mažas Lambda, kuro tankio įtaka galutiniam raketos greičiui yra palyginama su savitojo judesio kiekio įtaka. Balistinėse vienpakopėse raketose ar viršutinėse daugiapakopių raketų pakopose, kurių Lambda yra dideli, savitojo judesio kiekio padidinimas yra naudingesnis, nei kuro tankio padidinimas.
Reaktyvinės varos jėgos kūrimas
Reaktyvinė varos jėga kuriama raketinio variklio kameroje - pagrindiniame variklio įtaise. Degimo kamera yra pagrindinė variklio dalis. Ji skirta atpalaiduoti (cheminio ar branduolinio vyksmo metu) arba suteikti (iš išorinių šaltinių) darbinei medžiagai šiluminės energijos, kuri Lavalio tūtoje verčiama į kinetinę srauto energiją, taip sukuriant reaktyvinę varos jėgą.
Dujų tekėjimo variklio kameroje dėsningumai išdėstyti toliau. Kadangi raketiniame variklyje tekanti darbinė medžiaga dažniausiai yra dujinio būvio, tekėjimo reiškiniams apibūdinti pasitelkiamos spūdžiosios takiosios medžiagos (dujų ar plazmos) tekėjimo lygtys.
Eterio teorija ir jos kritika
Kai kurie mokslininkai ir entuziastai vis dar laikosi eterio teorijos, teigdami, kad vakuumas nėra tuščias ir kad eteris paaiškina daugelį fizikinių reiškinių. Tačiau ši teorija susiduria su rimtais iššūkiais.
Jeigu eteris nejuda stebimos materijos atžvilgiu (mūsų dimensijose), tuomet jis ir neegzistuoja. Tiesinis eterio judėjimas per netolygią aplinką sukeltų turbulencijas, o jas lengviausia būtų aptikti stebint inertinių sistemų "išcentrinius" pagreičius.
Moderniosios fizikos teorijos, tokios kaip kvantinė mechanika ir reliatyvumo teorija, sėkmingai aprašo vakuumo energiją, šviesos dualizmą ir kitus reiškinius, todėl eterio teorija tampa nebūtina.
Judesio kiekio tvermės dėsnis
Judesio kiekis arba impulsas - sąvoka, dažniausiai vartojama mechanikoje, kurią nusako masės ir greičio sandauga (p=mv). Bet kurioje uždaroje sistemoje, kai išoriniai jėgų poveikiai kompensuoti, bendras visų dalelių judesio kiekis išlieka pastovus, jai būdingi judėjimo dėsningumai nesikeičia.
Judesio kiekio momentas priklauso nuo objekto atstumo nuo sukimosi ašies, jo masės ir judėjimo greičio. Judesio kiekio momentui galioja tvermės dėsnis: Jei sistemos neveikia išorinės jėgos (jėgos momentas), judesio kiekio momentas nesikeičia.
tags: #mases #priklausomybe #nuo #greicio